二维准晶光子晶体有机半导体可调谐激光器及其特性研究

Organic semiconductor lasers based on photonic crystals (PC)have wide application prospect in optical communication and sensing. In this project, the organic quasiperiodic PC laser and its properties are studied intensively. The model of organic quasiperiodic PC lasers is fabricated dependent on the high rotational symmetry of the quasiperiodic structure, the gain of light trapped in the central defect of the PC stimulated by pump lasers, the light guiding of the defect microcavity perpendicular to the two-dimensional quasiperiodic plane and the resonance characteristics between the two reflecting films deposited on the upper and lower layers of a two-dimensional PC slab. Further, the dependence of laser properties including the resonant wavelength,lasing threshold,laser mode and luminous efficiency on the material, quasiperiodic structure and the depositing condition of the reflecting films are studied in detail. The tunability of lasing wavelength is also studied based on the third-order nonlinearity of organic materials. The research of light-pumping organic quasiperiodic PC tunable lasers will provide the theory and experiment support to the future application of organic semiconductor lasers.

基于光子晶体的有机半导体激光器在光通信和传感领域有着广阔的应用前景。本项目以构成准晶光子晶体的有机共轭聚合物作为激光增益介质，根据二维准晶光子晶体的特性，探索利用准晶结构中心区域的缺陷对有机材料发光的局域，缺陷微腔形成的与光子晶体平面垂直方向的波导,以及利用光子晶体平板上下底面多层反射膜形成的完整谐振腔,设计具有激射效应的光子晶体垂直腔面发射激光器。研究其激射过程，探索出射波长、起振阈值、激光模式和发光效率与有机材料、准晶结构以及镀膜条件的关联；研究利用有机材料的三阶非线性效应调谐激射波长，进而制备出光泵浦准晶光子晶体有机半导体可调谐激光原型器件，为有机半导体激光器的应用提供理论和实验依据。

基于光子晶体的有机半导体激光器在光通信、光显示和光传感等领域有着广阔的应用前景。本团队依托国家自然科学基金青年项目，经过3年的深入研究，已按照计划圆满完成了研究任务。主要工作分为两部分: （1）光泵浦有机半导体光子晶体微腔激光器及其特性研究。我们以构成准晶光子晶体的有机共轭聚合物BEHP-co-MEH-PPV作为激光增益介质，根据二维8重准晶光子晶体的特性，利用缺陷对有机材料发光的局域选模特性，缺陷微腔形成的与光子晶体平面垂直方向的波导,以及光子晶体平板上下表面形成的完整谐振腔，设计出具有激射效应的光泵浦光子晶体垂直腔面发射激光器。该激光器在355nm光脉冲泵浦下实现了激射效应，对应激射波长607nm，半峰宽1nm，激射阈值9μJ/cm2。这一结果为未来制备有机电致发光器件和有机光子晶体非线性器件提供了理论和实验基础。（2）电泵浦有机半导体光子晶体微腔激光器及其特性研究。光泵浦有机半导体激光器需要激光作为泵浦光源，这使其在系统集成和制备成本等方面受到很大的限制，因此，电泵浦有机半导体激光器具有更好的实用化前景。我们利用有机共轭聚合物MEH-PPV优良的发光特性和光子晶体对光的调制特性，设计制备了结构更加紧凑的电泵浦有机半导体二维平板8重准晶光子晶体激光器。该激光器在606nm处观察到激射现象，谱线半高宽0.5nm，接近光纤光谱仪的分辨率极限，其激射阈值0.8mA，远低于其它文献报道的结果。为了进一步提高器件发光斜效率和发光亮度，我们提出在结构中增加1-2层的空穴传输层和电子传输层，此外考虑在增益介质中通过掺杂特殊的纳米粒子与量子点，如石墨烯或核壳结构量子点等，进一步优化器件的发光性能。目前这些工作正在进行中。此外依托国家自然科学基金项目支持，我们团队还研究了二维和二维平板结构光子晶体高性能滤波器、单向传输、单向分束及滤波器件、负折射以及超透镜成像的理论和实验研究，均取得了一些有益进展。2013-2015年期间，我们团队发表相关学术论文10篇，其中SCI/EI收录8篇。获得1项国家发明专利和3项实用新型专利授权。培养研究生13名，毕业7名，其中项目组成员张颖在本项目经费支持期间获得博士学位。